Wellenartige Bewegung der Querruder

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Hallo zusammen,

bei modernen Großraum-Verkehrsflugzeugen mit Fly-by-Wire-Steuerung, die mehrteilige äußere Querruder aufweisen, ist mir schon oft eine seltsam wellenartige Bewegung der einzelnen Querruderteile aufgefallen. Insbesondere bei den Airbus-Modellen A340-600 und A380 ist das ganz auffällig. Die einzelnen drei Ruderflächen bewegen sich nicht synchron auf und ab, sondern separat mit verschiedenen Ausschlägen, oft in einem wellenartigen Muster. Siehe zum Beispiel hier deutlich ab Minute 4:40:


Weiß jemand, was es damit auf sich hat?

Viele Grüße
Uli
 
mcgyvr81

mcgyvr81

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Hallo,

ja diese Beobachtung ist mir auch geläufig - Danke auch für das Video, das dieses "Klappenspiel" sehr gut, und über einen längeren Zeitraum einfängt.

Ich habe keine definitive Antwort parat, da ich die Control Laws dieser Flugzeuge nicht geschrieben habe. Ich hätte aber hinsichtlich Flugmechanik u. Regelungstechnik jedenfalls einen Erklärungsansatz, den ich schrittweise herleiten will:


1. Wir haben bei jedem Flächenflugzeug bei rund um 1g Lastvielfachen ja grundsätzlich negativ gekoppelte Roll- zu Gierachse. (D.h., wenn ich nach links rolle, will meine Nase dem entgegen nach rechts weggieren und umgekehrt - dies rührt vom Zusammenhang ca/cw am jew. auf-/abwärtsdrehenden Flügel her, und die dadurch generierten Unterschiede im Widerstand links/rechts). In der allgemeinen Luftfahrt gibt man deshalb zu einem Querruder- auch einen entspr. modulierten Seitenruderausschlag dazu, um diesen Effekt zu kontern, wenn das Flugzeugmuster hier über keine sonstige Kompensation verfügt.

2. Verkehrsflugzeuge werden im Reiseflug fast ausschließlich über Roll- und Nickachse gesteuert - Seitenruder-input ist in "normalen" Flugzuständen (außer für die Trimmung) minimal bis null, für sonstige aerodyn. Resteffekte gibt es dann zusätzl. noch einen Yaw Damper. Ausnahmen davon stellen starke Seitenwindbedingungen z.B. bei Landeanflug/Aufsetzen dar, da muss man z.T. kurzfristig beherzt "reintreten".

3. Das FBW-System ist daher darauf ausgelegt, diese system-immanente, gegenseitige aerodynamische Kopplung beider Achsen bestmöglich zu kompensieren - das bedeutet, den gegenseitigen Einfluss durch individuelle Steuerbefehle an alle unabhängig voneinander kommandierbaren Steuerflächen an beiden Flugzeugseiten bestmöglich "wegzuregeln" (das bekannteste Beispiel hierfür sind die Roll Spoilers am abwärts drehenden Flügel, die man in dem Video ja auch mit am arbeiten sieht).

4. Die Querruder (Ailerons) sind hier im Video 3-fach gesplittet. Das in Spannweitenrichtung äußerste Element bildet in diesem Video m.E. als einziges Klappenelement die "klassische" Querruderfunktion ab, d.h. es zeigt einzig nur Ausschläge zum Rollen, also der direkten Auf-/Abbewegung der Flügelspitze.

5. Die beiden weiter innenbords liegenden Flächen des Querruders scheinen mir (besonders wenn auf dieser Flügelseite abwärts drehende Roll-Inputs gegeben werden), differentiell gegensinnig nach oben und unten auszuschlagen. Dieses um eine (gedachte) gemeinsame Mittellage, die in etwa der des äußersten Elements entspricht. Das bedeutet, die aerodynamische Wirkung in Rollrichtung (Flügelspitze auf/ab) der Summe von beiden inneren Querruderelementen wird ca. grob der des einzelnen, äußeren entsprechen.

6. Warum aber nun beide inneren Querruder-Elemente gegensinnig ausschlagen lassen, um den größten Teil ihrer gegenseitigen Wirkung in Rollrichtung aufzuheben?!? - Richtig, sie sollen damit Widerstand generieren!



Daher meine Interpretation: man nutzt den differentiellen Ausschlag des 2. u. 3. Elements (von der Flügelspitze aus gezählt), um kleine, extrem schnell modulierbare Gierimpulse zu erzeugen. Da diese Flächen außen am Flügel einen sehr großen Hebelarm ggü. dem Massenschwerpunkt aufweisen, kann man hier mit differentiellem Ausschlag verhältnismäßig viel Giermoment erzeugen u. dieses auch (im Vergleich zu den eigtl. Roll Spoilers) relativ feinfühlig u. vor allem schnell modulieren.

So, wie es Raubvögel mit den Federn an ihren Flügelspitzen bspw. auch tun - auch wenn diese es sehr viel besser beherrschen als wir Flugzeugbauer, die auf "Bretter und Schrauben" angewiesen sind!
 
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Genial und vielen dank!
Da wäre ich nicht so schnell drauf gekommen!
 
macfly

macfly

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Der Airbus-Artikel unten erklärt das Verhalten und den Sinn. Airbus nennt dieses Geklappere "VDA" (Valse Des Ailerons - "Walzer der Querruder"). Das mittlere Querruder bewegt sich 2.5x stärker als das äußere. Das innere Querruder folgt dem mittleren mit 350ms Verzögerung. Diese Steuerung ist aber auch noch geschwindigkeitsabhängig. Ziel ist es, dass Oszillieren (Flattern) der Flügel zu reduzieren.

Der Flügel ist ja flexibel und das Auslenken der Querruder hat auch eine Auswirkung auf die Biegung des Flügels. Wenn ein Querruder nach oben schlägt, biegt sich die Flügelspitze dadurch leicht nach unten - und schwingt dann später wieder nach oben (und kann dann mehrmals hoch und runter schwingen). Diese Schwingungen sind natürlich unerwünscht - und man möchte sie möglichst unterdrücken.

Warum genau das Schwingen des Flügels beim A380 ausgerechnet durch diese Logik (2.5x Auslenkung, 350ms Verzögerung) am besten gedämpft wird, wissen nur die Ingenieure, die da die Messreihe zur Optimierung gemacht haben. Wie MacGyver aber schon sagt, erinnert die Bewegung sehr stark an das Gefieder eines Vogels. Das ist sicher kein Zufall. Wenn die "echten Flugprofis" es auch so machen, muss es gut sein...

 
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